Arquitetura de Computadores
Prof. João Bosco Jr.
V1.3
Bibliografia
●
Livro Texto (Tem na biblioteca)
Organização Estruturada De Computadores
● Autor: Tanenbaum, Andrew S.
● Editora: Prentice Hall Brasil
Outros Livros
● Arquitetura E Organização De Computadores
– 8ª Edição
– Stallings, William
● Fundamentos de Arquitetura de Computadores
– Weber, Raul Fernando
– Sagra-Luzzato
●
●
V1.3
Objetivo da Disciplina
“Capacitar os alunos no entendimento do computador
enquanto máquina programável, tornando-os capazes de
compreender o nível ISA (nível do conjunto de instruções) de
computadores modernos a partir dos conceitos apresentados
em sala. Em especial, será aprofundado o conhecimento do
aluno nas características que definem a arquitetura de uma
máquina: conjunto de instruções, formato das instruções,
modelos de memória, endereçamento, registradores,
entre outros aspectos. Isto forma uma base de conhecimento
para a compreensão e análise da arquitetura de uma
máquina, capacitando-os a programar esta máquina de
forma mais eficiente.”
Fonte: Plano de Ensino de Arquitetura - FSM
V1.3
O Problema
“Como já mencionamos, existe uma grande lacuna entre o
que é conveniente para as pessoas e o que é conveniente
para os computadores. As pessoas querem fazer X, mas os
computadores só podem fazer Y. O que dá origem a um
problema.”
Fonte: Organização Estruturada de Computadores
Tanenbaum, A. S.
Pg 1
V1.3
Programa da Disciplina
●
Intrudução (capítulo 1)
●
●
●
●
●
●
Organização (capítulo 2)
●
●
●
●
●
●
Arquitetura x organização
Maquinas Multiníveis
Gerações de Computadores
Integração de Circuitos e Lei de Moore
Tipos de Computadores
CPU
Memória
Nível da Lógica digital (capitulo 3)
Conjunto de Instruções (capítulo 5)
Representação Binária de Números (A1 e A2)
Assembly (Apêndice A3)
V1.3
Instrumentos de Avaliação
●
●
●
Prova Escrita
Projetos
Seminários
●
●
Assuntos não abordados na disciplina
Lista de Exercícios
V1.3
Ao final desta aula você será capaz de
responder as seguintes perguntas:
●
●
●
●
●
●
●
O que é um computador?
Como os computadores evoluíram até
chegar ao patamar de hoje?
Como os programas executam nos
computadores?
Qual a importância da tecnologia na
construção de computadores?
O que é integração?
Onde os computadores estão sendo
usados?
Como usar os prefixos Kilo, Mega e Giga?
V1.3
Aula 1
(Introdução)
O que é um computador?
V1.3
Introdução
História dos Computadores
●
Computador Analítico
●
●
●
Projeto de
●
●
Mecânico (Tecnologia não permitiu a realização)
Memória, Circuitos lógicos, Armazenamento
Chales Babbage
Programável
●
Augusta Ada King
–
●
●
Condessa de Lovelace
Construído em 1991
● Em homenagem
Cartões Perfurados
V1.3
Introdução
Arquitetura X Organização
●
●
Arquitetura de computador refere-se ao
conjunto
de
atributos
visíveis
ao
programador que tem impacto direto sobre a
execução de um programa
Organização de computador refere-se às
unidades operacionais e suas interconexões
que implementam as especificações de uma
arquitetura
V1.3
Introdução
Arquitetura X Organização
●
Arquitetura
●
●
●
●
●
Conjunto de
instruções
Registradores
Representação dos
dados
Mecanismos de E/S
Endereçamento de
memória
●
Organização
●
●
●
●
Estrutura interna
processador
Barramentos
Internos
Tecnologias de
memórias
Interface com o
sistema de E/S
V1.3
Introdução
Linguagem, Nível e Maquina Real
●
Conveniência
●
Execução X Programação
–
●
Solução: Níveis de Linguagem:
–
–
●
Alto Nível (L1) e Baixo Nível (L0)
Exemplo: C e Assembly
Mecanismos de Tradução L1->L0
●
●
●
Geralmente quanto melhor de programar mais difícil
executar.
Compilação
Interpretação
Fronteira entre o HW e SW
●
Tudo pode ser implementado em HW
–
E por que isso não é feito?
V1.3
Introdução
Linguagem, Nível e Maquina Real
V1.3
Introdução
Maquina Multinível Moderna
Nível 5
Linguagem
LinguagemOrientada
OrientadaaaProblema
Problema
Nível 4
Linguagem
Linguagemde
deMontagem
Montagem- -Assembly
Assembly
Nível 3
Sistemas
SistemasOperacional
Operacional
Nível 2
ISA
ISA––Conjunto
Conjuntode
deInstruções
Instruções
Nível 1
Micro
MicroArquitetura
Arquitetura
Nível 0
Logica
LogicaDigital
Digital
Compilação
Tradução
Interpretação
Parcial
Interpretação
Hardware
V1.3
Introdução
Maquina Multinível – Nível -1
●
Componentes Eletrônicos
●
●
●
●
Transistores, resistores, capacitores, etc
Usados para implementar portas lógicas
Ex: Porta OU
Tabela Verdade
A
+
S
_
B
V1.3
Introdução
Maquina Multinível – Nível 0
●
Lógica Digital
●
●
●
●
Bit
Byte = 8 bits
Álgebra Boolena
Portas Lógicas “Básicas”
V1.3
Introdução
Maquina Multinível – Nível 0
●
Lógica Digital
●
Portas Lógicas “Derivadas”
Porta XOR
Porta NAND
Porta XNOR
Porta NOR
V1.3
Introdução
Maquina Multinível – Nível 0
●
Lógica Digital - Circuitos digitais complexos
Operandos
Instrução
ALU
Resultado
Multiplexador
Comparador
V1.3
Introdução
Maquina Multinível – Nível 1
●
Microarquitetura
●
●
●
●
Microcódigo
Possibilita um Conjunto de Instruções complexo
“Firmware” do processador
Casos
–
Bug de Divisão do 586
●
●
–
http://en.wikipedia.org/wiki/Pentium_FDIV_bug
Prejuízo de $ 450 Mi
Pentium F00F bug (Suspende as interrupções)
●
http://en.wikipedia.org/wiki/Pentium_F00F_bug
V1.3
Introdução
Maquina Multinível – Nível 2
●
●
Conjunto de Instruções
ISA - Instruction Set Architeture
●
Representação de Instruções
–
–
●
Tipos
–
–
–
–
●
Tamanho em bits
Quantidade de Operandos
Processamento de Dados
Armazenamento de Dados (Memória)
Movimentação de Dados (I/O)
Controle (Teste e Desvio)
Exemplos
●
I386 (Intel), Sparc (Sun), PA-RISC (HP), MIPS, PowerPC (IBM)
V1.3
Introdução
Maquina Multinível – Nível 3
●
Sistema Operacional
●
●
●
●
CPU em Modo Protegido
Interrupções do Sistema Operacional (Syscall)
Programa não executa instruções privilégiadas
section .data Ex.: sys_open: equ 5 ; sys_open = 5
f: db "file.txt",0 ; f = "file.txt"
f_id: dd 0 ; f_id = 0
section .text global _start _start: mov eax, sys_open ; move a chamada para o registrador eax
mov ebx, f ; move o nome do arquivo para o registrador ebx
mov ecx, o_rdonly ; move o modo de abertura para ecx
int 80h ; chama o SO
mov dword [f_id], eax ; O retorno armazenado em f_id
V1.3
Introdução
Maquina Multinível – Nível 4
●
Linguagem de montagem (assembly)
●
●
●
Notação legível para o código de máquina que
uma arquitetura de computador específica usa.
A linguagem de máquina, que é um mero padrão
de bits, torna-se legível pela substituição dos
valores em bruto por símbolos chamados
mnemónicos.
Exemplo x86:
8048080:
8048085:
804808a:
804808f:
b8 05 00 00 00 bb d8 90 04 08 b9 00 00 00 00 cd 80 mov $0x5,%eax
mov $0x80490d8,%ebx
mov $0x0,%ecx
int $0x80
V1.3
Introdução
Maquina Multinível – Nível 5
●
Linguagem de Programação
●
Linguagens de alto nível
–
●
●
Próxima para usada por humanos
Linguagens intermediárias
Linguagens de baixo nível
–
Próxima da usada pela máquina
V1.3
Introdução
Gerações de Computadores
●
●
●
●
●
●
G0 (computadores mecânicos)
G1 (Válvulas)
G2 (Trasistores)
G3 (Integração)
G4 (Muita Integração - PC)
G5 (Computadores Invisíveis: Coisas do
Tanenbaum!)
V1.3
Introdução
Gerações de Computadores
●
G0 (Século 19 até 1940)
●
●
●
●
●
Tecnologia:Eletro Mecânicos
Máquinas mecânicas baseadas em engrenagens e
relés
Só possuíam o Nível da Lógica digital
Pouca exatidão
Zuze Z1 (1931)
–
●
Primeira máquina calculadora com relés
Colossus (1943)
–
–
Primeiro Computador eletromecânico
Governo britânico
V1.3
Introdução
Gerações de Computadores
●
G1 (40's)
●
●
●
●
Tecnologia: Válvulas
Primeiros computadores digitais
Caros e indisponíveis (Queimavam muito!)
ENIAC (1946) : Primeiro computador
–
–
●
Fontes:
http://pt.wikipedia.org/wiki/Univac
http://pt.wikipedia.org/wiki/ENIAC
Electronic Numerical Integrator and Computer
270m², 30Ton, 5000op/s, 160kW, 18000 válvulas, Decimal
UNIVAC (1951): Primeiro computador comercial
–
–
–
UNIVersal Automatic Computer
35m², 13Ton, 1900op/s, 120kW, 5200 Válvulas
Vendidos umas 50 unidades. O IBGE comprou um em 61
Pagou por volta de US$ 2.500.000
V1.3
Introdução
Gerações de Computadores
●
G2 (50's)
●
●
●
●
Tecnologia: Trasistores
Mais rápidos e disponíveis
EX: IAS MACHINE (1952)
Modelo de Von Neumann
–
–
Programa armazenado em memória eletrônica (RAM?)
É a base das máquinas atuais.
ALU
MEM
Unid.
Controle
E/S
Registradores
V1.3
Introdução
Gerações de Computadores
●
G3 (60's)
●
Tecnologia: Integração de Transistor
–
●
●
Surgimento do Sistema Operacional
DEC-PDP 11 (1960)
–
●
Surgimento do Circuito Integrado (CI)
Primeiro mini computador
IBM 360 (1964)
–
–
Primeira família de computadores
Separa Arquitetura e Organização (implementação)
V1.3
Introdução
Gerações de Computadores
●
G4 (70's)
●
Tecnologia: Muita Integração (VLSI)
–
●
CHIP, Microprocessadores
8080 (1974)
–
Primeira CPU de uso geral em um CHIP
V1.3
Introdução
Gerações de Computadores
V1.3
Introdução
Integração de Circuitos
●
●
●
Vários componentes eletrônicos em uma
pastilha de Silício
1.000.000 por mm²
32nm x 45nm
●
●
●
●
Processo para construção de processadores
A altura de uma célula de memória nesta
tecnologia
32nm: Core I3, I5 e I7
45nm: Outros Processadores AMD e Intel
V1.3
Introdução
Integração de Circuitos
Fonte: intel.com
V1.3
Introdução
Integração de Circuitos
Fonte: http://en.wikipedia.org/wiki/Transistor_count V1.3
Introdução
Integração de Circuitos
V1.3
Introdução
Lei de Moore
●
●
●
Gordon E. Moore ( CIO Intel década de 60)
“O número de transistores dos chips teria um
aumento de 100%, pelo mesmo custo, a
cada período de 18 meses”
Consequencias:
●
●
●
O dobro da capacidade de processamento pelo
mesmo custo.
O mesmo processamento por metade do custo.
Isso tem limites?
V1.3
Introdução
Lei de Moore
V1.3
Introdução
Tipos de Computadores
●
●
●
●
●
●
Descartáveis
Microcontrolador (Vamos brincar com isso!)
Computador de Jogos
Computador Pessoal
Servidor
Conjunto de Estações de Trabalho
●
●
Minicomputador
MainFrame
V1.3
Introdução
Sistemas de Numeração
Posicional
●
Representar quantidades
●
●
●
Representação posicional
●
●
●
●
●
●
Sistema de Numeração Romano
(I,V,X,L,D,etc...)
Sistema de numeração Indu-Arábico (0,1,2,...,9)
25410 = (2 x 102) + (5 x 101) + (4 x 100) = CDU
Base 10 (0,..,9)
Base 16 (0,..,F)
Base 8 (0,...,7)
Base 2 (0,1)
Digito x Bit
20
14
24
10100
V1.3
Introdução
Prefixo de Quantidades
●
●
Kilo, Mega, Giga
Base 10
●
●
●
1K =10³ = 1000
1M = 1K.1K = 1000000
1G = 1K.1K.1K = 10³⁰
●
●
Kibi,Mebi,Gibi
Base 2
●
●
●
1Ki = 2¹⁰ = 1024
1Mi = 1Ki.1Ki = 1048576
1Gi = 1Ki.1Ki.1Ki = 2^30
V1.3